城市多尺度风环境数值模拟方法技术

本公开提供了一种城市多尺度风环境数值模拟方法，包括：生成以城市为中心的圆形的城市地形模型，并通过模型镶嵌将城市建筑群模型嵌入城市地形模型中，建立广域城市整体模型；采用布尔减运算提取广域城市整体模型，通过外圆内方的形式分割广域城市模型并进行模拟；提取镶嵌局域街区模型，并对边界进行插值，为局域街区模型提供准确的风环境边界条件并进行模拟。本公开采用嵌套模型方法可在大尺度的城市整体模拟中，避免采用不合理的入流边界假定，直接在城市宏观风场模拟后，为局域街区模型提供合理的流速边界；同时，由于采用了城市整体模型采用圆形的边界形式，对不同风速方向可采用同一套网格，极大地减轻建模及网格多次划分的工作量。

【技术实现步骤摘要】
城市多尺度风环境数值模拟方法
本公开涉及城市风环境分析领域，尤其涉及一种城市多尺度风环境数值模拟方法。
技术介绍
目前，我国正处于城市化发展的加速阶段，由于人口众多、土地稀缺，人均资源相对匮乏，导致城市发展不得不采用高强度开发的模式。在这种开发模式影响下，城市热岛效应不断增强，大气污染严重，雾霾天气频发。导致空气质量严重恶化的原因除了工厂排放大气污染源所导致外，还由于城市布局造成的静风及涡流等风环境的问题，它致使污染物难于扩散，促使高浓度污染空气的形成，影响了城市局部地区的大气质量。因此，通过控制城市气流，提高城市通风效率，优化微气候环境，已成为解决这些问题的重要手段。目前分析城市风环境的三种主要方法分别是现场实测、风洞实验和计算机数值模拟。实地测量方法极易受到长期观测数据获取的限制，在面对未来的城市规划中，很难应用取得实测的风速资料。风洞实验缩比尺模型研究试验法具有模型制作成本高、周期长、难以同时研究不同方案等特点，耗时费力，一般只运用在研究特殊的的建筑单体或小建筑群体风压、风速与气流流场变化等城市物理参数研究中。为了适应这一限制，实际研究中，往往将研究区的建筑群从现实的周边环境中单独分离出来，把它放到数值模拟的计算域中，采用的气象台提供的风向、风速等原始数据并进行模拟研究。即使是计算能力比较强的工作站，在城市级的大范围风环境研究中，为了减少计算的工作量，往往将外围的地形或周边的建筑去除，单独将待研究城市范围放入计算域范围进行研究。基于上述现有技术中还存在以下问题：其一，局部环境的模拟与所输入的边界条件与实际的风场环境不对应。由于街区的局部环境处于周边建筑环境影响下，如直接采用气象台的原始风场数值设定边界条件，就会由于边界条件不符合实际风场，继而使模拟结果不够准确的缺陷。其二，如采用城市全域加密网格的方法模拟，将导致计算量巨大，一般通用计算机甚至工作站都难于满足巨大的计算量要求。其三，在研究多风向条件下，模拟的模型必须重复建造、极大增加建模工作量，进而限制了对诸多实际问题的多方案数模优化研究。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本公开提供了一种城市多尺度风环境数值模拟方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。(二)技术方案根据本公开的一个方面，提供了一种城市多尺度风环境数值模拟方法，包括：步骤S100：生成以城市为中心的圆形的城市地形模型，并通过模型镶嵌将城市建筑群模型嵌入城市地形模型中，建立待加工的广域城市整体模型；步骤S200：自步骤S100中通过布尔减运算提取广域城市整体模型，通过外圆内方的形式分割广域城市模型并进行模拟；步骤S300：自步骤S200中提取镶嵌局域街区模型，并对边界进行插值，为局域街区模型提供准确的风环境边界条件并进行模拟。在本公开的一些实施例中，步骤S100包括：步骤S110：生成以目标城市为中心的圆形的城市地形模型；步骤S120：为城市建筑群进行建模，生成城市建筑群模型；步骤S130：将步骤S110生成的圆形的城市地形模型与步骤S120生成的城市建筑群模型进行布尔运算加运算，得到广域城市整体模型。在本公开的一些实施例中，步骤S200还包括：步骤S210：建立高度为5-6H圆台，其中，H为城市建筑最大高度；步骤S220：进行布尔运算减运算包括：用步骤S210建立的圆台减去城市地形模型和城市建筑群模型；步骤S230：划定矩形区域，框定城市范围；步骤S240：将步骤S220和步骤S230得到的结果进行布尔运算，通过以外圆内方的形式分割的广域城市整体模型；步骤S250：对步骤S240分割后的广域城市整体模型进行模拟。在本公开的一些实施例中，步骤S300包括：步骤S310：定义局域街区模型的计算边界；步骤S320：计算城市整体模型中的插值，并将插值镶嵌到局域街区模型边界中；步骤S330：利用已插值好的边界条件，设置模拟条件，对局域街区模型进行数值模拟。在本公开的一些实施例中，步骤S200还包括：步骤S260：对步骤S250得到的广域城市整体模型进行网格划分。在本公开的一些实施例中，步骤S300还包括：步骤S340：对步骤S330得到的局域街区模型进行网格划分。在本公开的一些实施例中，步骤S110中生成以目标城市为中心的圆形的城市地形模型，还包括：步骤S111：建立能够将目标城市包括在内的最小圆周；步骤S112：将步骤S111得到的最小圆周的面积乘以最大阻塞率倒数，得到与步骤S111中的最小圆周同心的圆周面积，作为城市地形模型计算平面范围；其中，最大阻塞率小于5％。在本公开的一些实施例中，步骤S250还包括：步骤S260：对步骤S250得到的广域城市整体模型采用通用流速边界设置。在本公开的一些实施例中，步骤S320中的插值为流速场、压力场和KE中一个或多个。在本公开的一些实施例中，步骤S250或步骤S330中，采用K-ε双方程模型，初始化计算域的场流，并进行数值模拟计算；K-ε双方程模型包括：连续方程动量方程k方程E方程其中，ui为笛卡尔坐标系下的速分量；xi为笛卡尔坐标系下的坐标分量；t为时间项；Re为雷诺数Re＝UD/ν；Ua和D为速度和模拟的特征长度；p为压力项；gi为重力加速度在i方向的分量；ρ为密度；ν分子粘性系数为(μ＝ρν)；νt(或μt＝ρνt)为紊流模型的紊流粘性系数；k为紊流脉动动能；ε为紊流脉动动能消耗率；C1ε＝1.44,C2ε＝1.92,Cμ＝0.09,σk＝1.0,Cμ＝0.09和σε＝1.3为模型常数。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本公开城市多尺度风环境数值模拟方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：(1)采用圆形计算域配合通用的边界条件设置，可利用一次性产生的城市整体网格，在只改变入流风速大小及方向前提下，只要改变入流的风速的分量即可，不需要重新划分网格，可极大地提高多工况，多角度风速的模型研究效率。(2)采用模型镶嵌和插值边界的方法，避免了传统模拟方法中由于入流边界受周边建筑群影响，不满足指数或对数垂线流速分布问题。(3)本公开直接从城市整体模型中得到边界插值，为一个或多个局域模型提供准确的边界条件，比传统方法出流采用无梯度假定或侧边界采用对称边界假定更为科学。(4)本公开分阶段的模拟方法，在避免带上外围环境的条件下，需精确模拟的局部环境可以单独划定计算域，范围大小完全可控，这样就使局部模拟时不受网格总数限制，在网格划分时尽量照顾到建筑物或街区的细节，进而极大提高模拟的准确性，从而有效解决了传统方法中城市整体模型建模复杂，效率低，而局域模型模拟时由于边界条件设定无法考虑周边建筑对风场的影响，进而模拟结果出现与实际风场不符的问题。附图说明图1为本公开实施例城市多尺度风环境数值模拟方法的示意图。图2为本公开实施例北方某城市多尺度风环境数值模拟方法流程框图。图3为在不同地面粗糙度形成的梯度风变的示意图。图4为本公开实施例中北方某城市建筑群三维建模场景图。图5为本公开实施例中北方某城市整体模型计算域划分示意图。图6a为本公开实施例中北方某城市整体模型网格划分整体效果图。图6b为本公开实施例中北方某城市整体模型网格划分局部明细图。图7a为本公开实施例中北方某城市整体模拟风速场平面图。图7b为图7a中对应的高度三维分布图。图8a为本公开实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种城市多尺度风环境数值模拟方法，包括：步骤S100：生成以城市为中心的圆形的城市地形模型，并通过模型镶嵌将城市建筑群模型嵌入城市地形模型中，建立待加工的广域城市整体模型；步骤S200：自步骤S100中通过布尔减运算提取广域城市整体模型，通过外圆内方的形式分割广域城市模型并进行模拟；步骤S300：自步骤S200中提取镶嵌局域街区模型，并对边界进行插值，为局域街区模型提供准确的风环境边界条件并进行模拟。

【技术特征摘要】
1.一种城市多尺度风环境数值模拟方法，包括：步骤S100：生成以城市为中心的圆形的城市地形模型，并通过模型镶嵌将城市建筑群模型嵌入城市地形模型中，建立待加工的广域城市整体模型；步骤S200：自步骤S100中通过布尔减运算提取广域城市整体模型，通过外圆内方的形式分割广域城市模型并进行模拟；步骤S300：自步骤S200中提取镶嵌局域街区模型，并对边界进行插值，为局域街区模型提供准确的风环境边界条件并进行模拟。2.根据权利要求1所述的城市多尺度风环境数值模拟方法，其中，所述步骤S100包括：步骤S110：生成以目标城市为中心的圆形的城市地形模型；步骤S120：为城市建筑群进行建模，生成城市建筑群模型；步骤S130：将步骤S110生成的圆形的城市地形模型与步骤S120生成的城市建筑群模型进行布尔运算加运算，得到广域城市整体模型。3.根据权利要求1所述的城市多尺度风环境数值模拟方法，其中，所述步骤S200还包括：步骤S210：建立高度为5-6H圆台，其中，H为城市建筑最大高度；步骤S220：进行布尔运算减运算包括：用步骤S210建立的圆台减去城市地形模型和城市建筑群模型；步骤S230：划定矩形区域，框定城市范围；步骤S240：将步骤S220和步骤S230得到的结果进行布尔运算，通过以外圆内方的形式分割的广域城市整体模型；步骤S250：对步骤S240分割后的广域城市整体模型进行模拟。4.根据权利要求1所述的城市多尺度风环境数值模拟方法，其中，所述步骤S300包括：步骤S310：定义局域街区模型的计算边界；步骤S320：计算城市整体模型中的插值，并将插值镶嵌到局域街区模型边界中；步骤S330：利用已插值好的边界条件，设置模拟条件，对局域街区模型进行数值模拟。5.根据权利要求2所述的城市多尺度风环境数值模...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾穗平，曾坚，田健，
申请(专利权)人：天津城建大学，天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12